無線電接收發(fā)射技術(shù)詳解

一、信號發(fā)生器使用攻略

　　信號發(fā)生器也稱信號源，是用來產(chǎn)生振蕩信號的一種儀器，為使用者提供需要的穩(wěn)定、可信的參考信號，并且信號的特征參數(shù)完全可控。所謂可控信號特征，主要是指輸出信號的頻率、幅度、波形、占空比、調(diào)制形式等參數(shù)都可以人為地控制設(shè)定。隨著科技的發(fā)展，實際應(yīng)用到的信號形式越來越多，越來越復(fù)雜，頻率也越來越高，所以信號發(fā)生器的種類也越來越多，同時信號發(fā)生器的電路結(jié)構(gòu)形式也不斷向著智能化、軟件化、可編程化發(fā)展。

　　信號發(fā)生器的應(yīng)用與意義

　　信號發(fā)生器所產(chǎn)生的信號在電路中常常用來代替前端電路的實際信號，為后端電路提供一個理想信號。由于信號源信號的特征參數(shù)均可人為設(shè)定，所以可以方便地模擬各種情況下不同特性的信號，對于產(chǎn)品研發(fā)和電路實驗特別有用。在電路測試中，我們可以通過測量、對比輸入和輸出信號，來判斷信號處理電路的功能和特性是否達(dá)到設(shè)計要求。例如，用信號發(fā)生器產(chǎn)生一個頻率為1kHz的正弦波信號，輸入到一個被測的信號處理電路（功能為正弦波輸入、方波輸出），在被測電路輸出端可以用示波器檢驗是否有符合設(shè)計要求的方波輸出。高精度的信號發(fā)生器在計量和校準(zhǔn)領(lǐng)域也可以作為標(biāo)準(zhǔn)信號源（參考源），待校準(zhǔn)儀器以參考源為標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行調(diào)校。由此可看出，信號發(fā)生器可廣泛應(yīng)用在電子研發(fā)、維修、測量、校準(zhǔn)等領(lǐng)域。

　　對業(yè)余無線電愛好者來說，信號發(fā)生器用得最多的地方是測量電臺、對講機的靈敏度。很多HAM都認(rèn)為用綜合測試儀來調(diào)測對講機靈敏度最有效果，其實，用綜合測試儀來調(diào)測對講機靈敏度主要用到了綜合測試儀的信號發(fā)生器和信納比計兩項功能。信號發(fā)生器發(fā)出與對講機相同調(diào)制模式的信號（一般是FM或者AM），然后逐漸減小輸出信號的幅度（強度），同時通過信納比計監(jiān)測對講機音頻輸出的噪聲水平。當(dāng)對講機輸出音頻有效信號與噪聲的比例劣化到一定程度時（一般對講機靈敏度測試信噪比標(biāo)準(zhǔn)S/N=12dB），信號發(fā)生器輸出的電平數(shù)值就等于所測對講機的靈敏度。在此測試中，信號發(fā)生器模擬了對講機實際接收的空中信號，而且模擬的信號強度是可以人為控制調(diào)節(jié)的。

　　有的HAM手頭沒有信號發(fā)生器，調(diào)電臺的靈敏度只能靠收聽空中實際信號作為參照。這種做法顯然沒有使用信號發(fā)生器來得方便。用綜合測試儀或信號發(fā)生器測量對講機的靈敏度，其標(biāo)準(zhǔn)的連接方法是：信號發(fā)生器信號輸出通過電纜接到對講機的天線輸入端，對講機的音頻輸出端連接綜合測試儀或信納比計的音頻輸入端。筆者在有的對講機維修地點看到，測對講機靈敏度時，只連接信號發(fā)生器，然后通過聽對講機揚聲器的音質(zhì)來大致判斷信噪比，這顯然是不規(guī)范的。此外，我們還需要注意的是測試標(biāo)準(zhǔn)的不同，即對講機輸出音頻預(yù)期到達(dá)的信噪比閾值不同，如S/N=10dB或S/N=20dB，即使同一臺對講機所測量得到的靈敏度數(shù)值也會不同。聯(lián)想到在一些對講機技術(shù)說明中出現(xiàn)的“靜噪開啟靈敏度”、“可用靈敏度”等名稱，其實都是采用不同的測試標(biāo)準(zhǔn)。不同測試標(biāo)準(zhǔn)得到的靈敏度數(shù)值并沒有相互比較的意義。

　　信號發(fā)生器可以用來調(diào)節(jié)電臺和對講機的靈敏度，其基本原理就是使對講機接收通道中的濾波槽路對有用的信號傳輸衰減達(dá)到最小，從而使對講機具有較高的靈敏度，這在一些業(yè)余電臺改頻改造和自制電臺中應(yīng)用得比較多。信號發(fā)生器在此同樣扮演的是模擬空中信號的角色。如果對講機本身具有接收信號強度S表或者測試點，可以用信號發(fā)生器輸入一個使機器信號表指示30%左右強度的信號（容易看出調(diào)節(jié)的變化效果），然后按照對講機維修手冊的說明，調(diào)節(jié)接收槽路，使信號表指示到最大，要是在調(diào)節(jié)過程中出現(xiàn)信號表滿表的情況，可以再把信號發(fā)生器的信號幅度調(diào)小一些。通常，為了保證整個頻段的靈敏度，平均需要采用在目標(biāo)頻段的高端、低端、中心多個頻率點作為參考點進(jìn)行“統(tǒng)調(diào)”。對于沒有信號強度指示反饋的對講機，只能通過在低信噪比狀態(tài)下，監(jiān)視信噪比的改善與劣化來調(diào)整接收槽路。其實，信號發(fā)生器除了可以調(diào)節(jié)對講機的接收靈敏度，也可以用來調(diào)校收音機和電視機，只要信號發(fā)生器能產(chǎn)生相同類型的信號即可。

　　信號發(fā)生器可以用來查找電臺、對講機的接收通道故障。其基本原理是：由前級往后級，逐一測量接收通路中每一級放大和濾波器，找出哪一級放大電路沒有達(dá)到設(shè)計應(yīng)有的放大量或者哪一級濾波電路衰減過大。信號發(fā)生器在此扮演的是標(biāo)準(zhǔn)信號源的角色。信號源在對講機天線輸入端輸入一個已知幅度的信號，然后通過超高頻電壓表或者頻率足夠高的示波器，從天線輸入端口逐級測量增益情況，找出增益異常的單元，再進(jìn)一步細(xì)查，最后確診存在故障的零部件。

　　信號發(fā)生器可以用來調(diào)測濾波器，典型的就是帶通濾波器和電臺上用的雙工器。調(diào)測濾波器的理想儀器二字線——網(wǎng)絡(luò)分析儀和掃頻儀，其主要功能部件之一就是信號發(fā)生器。在沒有這些高級儀器的情況下，信號發(fā)生器配合高頻電壓測量工具，如超高頻毫伏表、頻率足夠高的示波器、測量接收機等，也能勉強調(diào)試濾波器，其基本原理是測量濾波器帶通頻段內(nèi)外對信號的衰減情況。信號發(fā)生器在此扮演的是標(biāo)準(zhǔn)信號源的角色，信號發(fā)生器產(chǎn)生一個相對比較強的已知頻率和幅度信號，從濾波器或者雙工器的INPUT端輸入，測量輸出端信號衰減情況。帶通濾波器要求帶內(nèi)衰減盡量小，帶外衰減盡量大，而陷波器正好相反，陷波頻點衰減越大越好。因為普通的信號發(fā)生器都是固定單點頻率發(fā)射的，所以調(diào)測濾波器需要采用多個測試點來“統(tǒng)調(diào)”。如果有掃頻信號源和配套的頻譜儀，就能圖示化地看到濾波器的全面頻率特性，調(diào)試起來極為方便。

　　信號發(fā)生器可以用來校準(zhǔn)對講機和接收機的信號強度表，信號發(fā)生器在此扮演的是標(biāo)準(zhǔn)信號源的角色。按照各機型的維修手冊要求，在校準(zhǔn)頻點輸入特定強度的信號，此時校正S信號強度表的實際指示。在實際調(diào)整中，我們可以看到，雖然國際上有接收機S信號表指示的參考場強標(biāo)準(zhǔn)，但現(xiàn)在很多廠家都執(zhí)行自家的標(biāo)準(zhǔn)，使S表指示偏大而指示范圍偏小，給用戶的感覺就是S表指示很容易滿表，暗示用戶它的接收靈敏度高。

　　除了在射頻方面的應(yīng)用，信號發(fā)生器在音頻領(lǐng)域也有廣泛的應(yīng)用。

　　信號發(fā)生器用于對講機話音電路和調(diào)制電路的調(diào)測。信號發(fā)生器代替駐極體拾音器向?qū)χv機的“MIC in”送入符合要求的1kHz單音信號（輸入幅度要求在維修手冊會有標(biāo)明），然后使調(diào)頻對講機處于發(fā)射狀態(tài)。正常情況下，在接收機中會聽到1kHz的音頻，通過調(diào)制度儀，可以測量出被測對講機的調(diào)制幅度。由此，可以檢測和調(diào)整調(diào)頻對講機的語音調(diào)制電路（調(diào)制度一般在對講機內(nèi)部可調(diào)整）。一般25kHz間隔FM調(diào)制的對講機，要求在1kHz音頻下調(diào)制度在4.5kHz左右。調(diào)頻對講機調(diào)制過小，語音會偏輕，調(diào)制過大，會影響話音，并增加占用帶寬。有的發(fā)射無語音故障的對講機，也可以通過類似方法從MIC in開始逐級測量語音信號狀況。

　　信號發(fā)生器用于音頻功放的維修。信號發(fā)生器在此扮演的是理想信號源的角色。信號源產(chǎn)生一個適當(dāng)幅度的音頻正弦信號，作為音頻功放的信號輸入。通過測量音頻功放的輸出幅度和波形，我們可以判斷音頻功放電路工作是否基本正常，包括是否有自激等不正常狀態(tài)以及失真情況。

信號發(fā)生器的基本原理

　　現(xiàn)代信號發(fā)生器的結(jié)構(gòu)非常復(fù)雜，與早期的簡易信號發(fā)生器天差地別，但總體基本結(jié)構(gòu)功能單元還是類似的。信號發(fā)生器的主要部件有頻率產(chǎn)生單元、調(diào)制單元、緩沖放大單元、衰減輸出單元、顯示單元、控制單元。早期的信號發(fā)生器都采用模擬電路，現(xiàn)代信號發(fā)生器越來越多地使用數(shù)字電路或單片機控制，內(nèi)部電路結(jié)構(gòu)上有了很大的變化。

　　頻率產(chǎn)生單元是信號發(fā)生器的基礎(chǔ)和核心。早期的高頻信號發(fā)生器采用模擬電路LC振蕩器，低頻信號發(fā)生器則較多采用文氏電橋振蕩器和RC移相振蕩器。由于早期沒有頻率合成技術(shù)，所以上述LC、RC振蕩器優(yōu)點是結(jié)構(gòu)簡單，可以產(chǎn)生連續(xù)變化的頻率，缺點是頻率穩(wěn)定度不夠高。早期產(chǎn)品為了提高信號發(fā)生器頻率穩(wěn)定度，在可變電容的精密調(diào)節(jié)方面下了很多功夫，不少產(chǎn)品都設(shè)計了精密的傳動機構(gòu)和指示機構(gòu)，所以很多早期的高級信號發(fā)生器體積大、重量重。后來，人們發(fā)現(xiàn)采用石英晶體構(gòu)成振蕩電路，產(chǎn)生的頻率穩(wěn)定，但是石英晶體的頻率是固定的，在沒有頻率合成的技術(shù)條件下，只能做成固定頻率信號發(fā)生器。之后也出現(xiàn)過壓控振蕩器，雖然頻率穩(wěn)定度比LC振蕩器好些，但依然不夠理想，不過壓控振蕩器擺脫了LC振蕩器的機械結(jié)構(gòu)，可以大大縮減儀器的體積，同時電路不太復(fù)雜，成本也不高。現(xiàn)在一些低端的函數(shù)信號發(fā)生器依然采用這種方式。

　　隨著PLL鎖相環(huán)頻率合成器電路的興起，高檔信號發(fā)生器紛紛采用頻率合成技術(shù)，其優(yōu)點是頻率輸出穩(wěn)定（頻率合成器的參考基準(zhǔn)頻率由石英晶體產(chǎn)生），頻率可以步進(jìn)調(diào)節(jié)，頻率顯示機構(gòu)可以用數(shù)字化顯示或者直接設(shè)置。早期的高精度信號發(fā)生器為了得到較小的頻率步進(jìn)，將鎖相環(huán)做得非常復(fù)雜，成本很高，體積和重量都很大。目前的中高端信號發(fā)生器采用了更先進(jìn)的DDS頻率直接合成技術(shù)，具有頻率輸出穩(wěn)定度高、頻率合成范圍寬、信號頻譜純凈度高等優(yōu)點。由于DDS芯片高度集成化，所以信號發(fā)生器的體積很小。

　　信號發(fā)生器的工作頻率范圍、頻率穩(wěn)定度、頻率設(shè)置精度、相位噪聲、信號頻譜純度都與頻率產(chǎn)生單元有關(guān)，也是信號發(fā)生器性能的重要指標(biāo)。

　　信號發(fā)生器的一大特性就是可以操控儀器輸出信號的幅度，信號通過特定組合衰減量的衰減器達(dá)到預(yù)定的輸出幅度。早期的衰減器是機械式的，通過刻度來讀取衰減量或輸出幅度。現(xiàn)代中高檔信號發(fā)生器的衰減器單元由單片機控制繼電器來切換，向電子芯片化過渡，衰減單元的衰減步進(jìn)量不斷縮小，精度相應(yīng)提高。大頻率范圍的高精度衰減器和高精度信號輸出屬于高科技技術(shù)，這也是國內(nèi)很少有企業(yè)能制造高端信號發(fā)生器的原因之一。信號發(fā)生器的信號輸出范圍和輸出電平的精度和準(zhǔn)確度也是標(biāo)志信號發(fā)生器性能的重要指標(biāo)。

　　信號發(fā)生器的分類與用途

　　信號發(fā)生器按傳統(tǒng)工作頻段分類，有超低頻信號發(fā)生器、低頻信號發(fā)生器、高頻信號發(fā)生器、微波信號發(fā)生器。

　　超低頻信號發(fā)生器一般是指工作頻率下潛到0.1Hz以下的信號發(fā)生器，一般用于專業(yè)上的特殊用途。低頻信號發(fā)生器一般是指工作頻率主要在1Hz～1MHz的信號發(fā)生器，多用于音頻領(lǐng)域。高頻信號發(fā)生器，也叫射頻信號發(fā)生器，一般是指工作頻率從100kHz到幾百兆赫的信號發(fā)生器（目前頻率高的可以達(dá)到幾吉赫茲），多用于通信和測量領(lǐng)域。微波信號發(fā)生器一般是指工作頻率高達(dá)數(shù)吉赫茲到幾十吉赫茲的信號發(fā)生器，多用于雷達(dá)領(lǐng)域。

　　隨著頻率合成技術(shù)和電路的發(fā)展，很多信號發(fā)生器都可提供更大的頻率覆蓋范圍，一機多能，頻段的劃分漸漸成為一個模糊的觀念。例如常用的Agilent 33250A函數(shù)發(fā)生器就可以工作在1μHz～80MHz的范圍，包含傳統(tǒng)的超低頻、低頻、音頻和HF頻段。

　　信號發(fā)生器按頻率產(chǎn)生機制，分有LC振蕩器信號發(fā)生器、壓控振蕩信號發(fā)生器、頻率合成信號發(fā)生器。具體在上文中已有詳述。目前低端的廉價信號發(fā)生器多采用LC振蕩器，中低端的函數(shù)信號發(fā)生器多采用壓控振蕩器，中高檔的信號發(fā)生器多采用DDS頻率直接合成技術(shù)。隨著DDS技術(shù)的普及和芯片價格的下降，越來越多的信號發(fā)生器采用DDS技術(shù)，并有向入門級產(chǎn)品發(fā)展的趨勢。近期，很多一兩千元的函數(shù)信號發(fā)生器也開始使用DDS技術(shù)。

　　信號發(fā)生器按功率輸出，可以分為簡易信號發(fā)生器、標(biāo)準(zhǔn)信號發(fā)生器、功率信號發(fā)生器。簡易信號發(fā)生器在信號輸出幅度控制上比較簡單，只使用一個簡易衰減器，對輸出的信號不能直接量化控制。標(biāo)準(zhǔn)信號發(fā)生器在信號輸出幅度上有嚴(yán)格的控制，能提供準(zhǔn)確的輸出幅度讀數(shù)。一般高頻標(biāo)準(zhǔn)信號發(fā)生器輸出幅度在-127～+23dBm。功率信號發(fā)生器則提供較大的功率輸出，一般在+20dBm以上，功率大的可達(dá)幾瓦到幾十瓦。

　　信號發(fā)生器按照產(chǎn)生信號類型可以分為正弦信號發(fā)生器、函數(shù)信號發(fā)生器、脈沖信號發(fā)生器、隨機信號發(fā)生器、專用信號發(fā)生器。正弦信號發(fā)生器提供最基本的正弦波信號，可以作為參考頻率和參考幅度信號，用于增益和靈敏度的測量以及儀器的校準(zhǔn)。常見的高頻信號發(fā)生器和標(biāo)準(zhǔn)信號發(fā)生器都屬于此類。函數(shù)信號發(fā)生器可以產(chǎn)生各種函數(shù)波形信號，典型的有方波、正弦波、三角波、鋸齒波、脈沖等。函數(shù)信號發(fā)生器一般工作頻率不高，頻率上限在幾兆赫到一二十兆赫，頻率下限很低，大多可以低于0.1Hz。函數(shù)信號發(fā)生器用途非常廣泛，科學(xué)實驗、產(chǎn)品研發(fā)、生產(chǎn)維修、IC芯片測試中都能見到它的身影。脈沖信號發(fā)生器和隨機信號發(fā)生器多用于專業(yè)場合。專用信號發(fā)生器是產(chǎn)生特定制式信號的專用儀器，如常見的電視信號發(fā)生器、立體聲信號發(fā)生器等。

　　高端信號發(fā)生器有矢量信號源、基帶信號源，主要應(yīng)用在航空、國防等尖端領(lǐng)域，價格也非常昂貴，在此就不多做介紹。

　　信號發(fā)生器的使用與測量單位

　　普通標(biāo)準(zhǔn)信號發(fā)生器使用比較簡單，首先是設(shè)置工作頻率，高頻信號發(fā)生器一般采用“MHz”作單位，工作頻率較低的信號發(fā)生器，如函數(shù)信號發(fā)生器，也有以“kHz”作單位的。其次是選擇調(diào)制方式或波形，就是選擇AM還是FM，或者選擇正弦波還是方波，再次按需設(shè)定調(diào)制頻率，最后設(shè)定信號輸出幅度。

　　信號發(fā)生器的信號輸出幅度有多種表示單位，有電壓單位V、mV、μV（也可以用dB表示為dBμV和dB mV），功率單位dBm。它們之間的換算可以通過查表或者計算求得。現(xiàn)在很多中高檔信號發(fā)生器輸出幅度設(shè)定的單位是可以選擇的，方便用戶應(yīng)用。一般大部分對講機說明書中標(biāo)稱靈敏度的單位是μV（微伏），而很多信號發(fā)生器和綜合測試儀常用dBm作為測量單位。附表是50Ω系統(tǒng)dBm與μV數(shù)值換算的對照表。

　附表 50Ω系統(tǒng)dBm與μV換算表

　　dBm μV

　　-125.0 0.126

　　-124.0 0.141

　　-123.0 0.158

　　-122.0 0.178

　　-121.0 0.199

　　-120.0 0.224

　　-119.0 0.251

　　-118.0 0.282

　　-117.0 0.316

　　-116.0 0.354

　　-115.0 0.398

　　-114.0 0.446

　　-113.0 0.501

　　-112.0 0.562

　　-111.0 0.630

　　-110.0 0.707

　　-109.0 0.793

　　-108.0 0.89

　　-107.0 0.999

　　-106.0 1.121

　　業(yè)余電臺愛好者在使用信號發(fā)生器調(diào)測對講機時，切忌不要使對講機誤發(fā)射，有的信號發(fā)生器沒有反向功率輸入保護(hù)，或者反向輸入保護(hù)承受功率有限，極容易導(dǎo)致信號發(fā)生器內(nèi)部衰減器損壞，導(dǎo)致信號輸出電平不準(zhǔn)。保護(hù)信號發(fā)生器的土辦法是在信號源輸出口安裝20～30dB的衰減器，這樣可以將對講機誤發(fā)射時對信號發(fā)生器造成的影響降到最小，適合在非精密測量要求下使用。安裝衰減器后，只要將信號發(fā)生器輸出信號幅度讀數(shù)減去衰減器衰減量即可，多了一個簡單的數(shù)學(xué)運算而已。

　　信號發(fā)生器的品牌

　　目前，國內(nèi)高端信號發(fā)生器以美國Agilent（安捷倫）和德國RohdeSchwarz（羅德與施瓦茨）品牌產(chǎn)品為主。此外，Tektronix（泰克）、Aeroflex-IFR和日本ANRITSU（安立）的信號發(fā)生器也很好。國內(nèi)高檔函數(shù)信號發(fā)生器用得比較多的是Agilent 33210A和33220A，高端一些的產(chǎn)品是Agilent 33250A。高頻（射頻）信號發(fā)生器主要是Agilent E4428C和羅德與施瓦茨的SMC100A。

　　SMC100A一改以往高精度信號源笨重、占地大的形象，在同級別產(chǎn)品中可以用“輕巧”二字形容。

　　國產(chǎn)信號發(fā)生器中，普源RIGOL和盛普，以及中國臺灣老品牌固緯，都是有很好口碑的產(chǎn)品，揚中科泰的產(chǎn)品也不錯。普源的DG1022是一款普及型的中檔函數(shù)信號發(fā)生器，設(shè)計理念先進(jìn)，外觀時尚，具有很好的性價比，DG1022售價只有國際品牌同類產(chǎn)品的20%左右，完全適合普通研發(fā)和維修以及教學(xué)使用。